一種雙頻段圓極化移動導航終端天線的設計

引言

由于圓極化天線具有接收效率高、抗多徑反射、抗干擾 等性能優(yōu)點，因此在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。具 有多頻段、圓極化和寬帶特點的移動導航終端天線是近年來衛(wèi) 星導航天線研究的熱點。在文獻中，提出了一種寬帶圓 極化縫隙天線，在地板上開有單線波圓形螺旋槽來實現(xiàn)圓極 化，但缺點是不容易確定所需的圓形螺旋槽的尺寸，圓極化的 實現(xiàn)難度較大。為了解決這一問題，在文獻中提出了一種 利用空間順序旋轉技術的寬帶圓極化縫隙天線，在地板上開 有單個方形螺旋槽來實現(xiàn)圓極化，但是需要同時調(diào)節(jié)方形螺 旋槽的始端和末端的長度來實現(xiàn)圓極化，導致圓極化的實現(xiàn) 難度增大。本文設計了一種更簡單的微帶線饋電的圓極化縫隙 天線，在地板上開有兩個方形螺旋槽，該結構只需要同步調(diào) 節(jié)螺旋槽的末端的長度即可實現(xiàn)圓極化。另外，還可以通過 調(diào)節(jié)螺旋槽的寬度來獲得較大的軸比帶寬；在地板中央切去 一個圓環(huán)形槽以降低圓極化的中心頻率。應用仿真軟件HFSS 對該天線進行仿真優(yōu)化，并制作了實物。仿真及實測結果表明， 該天線的相對駐波帶寬達到38.5%，相對軸比帶寬達到約5%。

1天線設計

圖1給出了該天線的整體結構示意圖。其中圖1 (a)為天 線俯視圖，圖1 (b)為天線仰視圖。

該天線印制在一塊厚度為1 mm，相對介電常數(shù)為4.4， 損耗角正切為0.019的低耗FR4介質(zhì)基板上，該基板的平面 尺寸為&XW。。在它的正面印制天線的輻射貼片單元，背面印 制微帶饋線。圖1(a)中，在地板上開有兩個方形的螺旋槽， 每個方形螺旋槽外側的長度從內(nèi)到外均依次為L，L+w，L+2w， L+3w，L+4w，L+5w。此處,w為方形螺旋槽的寬度，d為方形 螺旋槽末端枝節(jié)長度的調(diào)節(jié)量，通過調(diào)節(jié)d的大小可以獲得 最適宜的軸比，從而實現(xiàn)圓極化。每個方形螺旋槽外側的總 長度均為6L+15w— d，大約為所需諧振頻率處的一個自由空 間操作波長。在地板的中心位置切去一個圓環(huán)形槽，增大感 應電流的路徑，從而降低圓極化的中心頻率。該圓弧形槽的 外半徑為R1，內(nèi)半徑為R2。微帶饋線的結構如圖1(b)所 示，微帶饋線設計為50 Q,其導電貼片的寬度為W末端 的兩個開路枝節(jié)均位于地板上的方形螺旋槽的中央，分別與 SMA射頻接頭相連接。通過電磁仿真軟件HFSS 14.0進行 建模仿真，對各項參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)節(jié)，得到最佳參數(shù)尺寸如 下：0=100 mm, W)=65 mm, R「7 mm, R?=4 mm, L=22 mm，

2 仿真與實測結果

根據(jù)上述仿真優(yōu)化的結果，加工并制作了天線實物，如 圖 2 所示。圖 2（a）為天線正面圖，圖 2（b）為天線背面圖。 為了驗證仿真結果的準確性，采用 Agilent E5071C 矢量網(wǎng)絡 分析儀實際測量了天線的 S 參數(shù)，并將實測和仿真結果進行 了對比。由于實驗條件的限制，未能對天線的軸比、方向圖等 參數(shù)進行實際測量。

天線回波損耗的仿真結果如圖3所示。可以看出，該天 線在頻段1.35?1.78 GHz, 2.35?2.63 GHz內(nèi)的S11均小 于一10 dB,相對駐波帶寬達到38.5%,滿足指標要求。天線 在1.3?2.7 GHz內(nèi)增益的仿真曲線圖如圖4所示，可看出天 線在中心頻率附近處的增益都較好，整體輻射性能達到要求。

圖3回波損耗隨頻率變換曲線

圖4增益曲線圖

天線軸比隨頻率變化的仿真曲線如圖5所示。其中，圖5

(a)為1.575 GHz中心頻率處附近的軸比隨頻率變化的仿真曲 線，圖5(b)為2.492 GHz中心頻率處附近的軸比隨頻率變化 的仿真曲線。從圖中可以看到頻率在1.56?1.60 GHz范圍和

2.47?2.53 GHz范圍內(nèi)天線軸比均小于3 dB,相對軸比帶寬 達到約5%,有著良好的圓極化特性。

(a) 1.575 GHz頻率處附近的軸比曲線

(b) 2.492 GHz頻率處附近的軸比曲線

圖5軸比隨頻率變換曲線

該天線的結構決定了其具有雙面輻射的特性。天線在中 心頻率1.575 GHz和2.492 GHz處的仿真歸一化方向圖分別如 圖6(a)、圖6(b)所示。從兩幅圖可以看出天線在正面輻射 的右旋圓極化波的增益遠大于左旋圓極化波的增益，故在正 面輻射右旋圓極化波。與此相反，在背面輻射的為左旋圓極 化波。

(a) 1.575 GHz處的方向圖

(b) 2.492 GHz處的方向圖

圖6天線歸一化方向圖

頻率在 1.575 GHz，2.492 GHz 時天線圓極化軸比隨角度變化的曲線分別如圖 7（a）、（b）所示，從圖 7 可見，該天線在中心頻點處的軸比小于 3 dB 的波束寬度，大約達到了65°。

3 結 語

本文提出了一種微帶線饋電的雙頻段圓極化縫隙天線。在地板上開有兩個方形螺旋槽，并通過同步調(diào)節(jié)這兩個方形螺旋槽末端的長度即可獲得最適宜的軸比，從而實現(xiàn)圓極化。另外，還可以通過調(diào)節(jié)方形螺旋槽的寬度來獲得較大的軸比帶寬 ；在地板中央切去一個圓環(huán)形槽以增大感應電流的路徑，從而降低圓極化的中心頻率。仿真及實測結果表明，天線相對阻抗帶寬達到 38.5%，且在阻抗帶寬內(nèi)天線的相對軸比帶寬也達到了大約 5%。該天線具有低剖面和結構穩(wěn)固的特點，且結構簡單易于制造，具有一定的實際應用價值。

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